1キロを支えるゲル

一本の高分子鎖を両端から引っぱると、まずほどけ、まっすぐになるにつれて急に硬くなり、最後には強い共有結合が切れる。ところが、こうした鎖でできた網目(ゲルやゴム)は、鎖一本よりも桁違いに弱い。論文が引用している最近のコンピューターシミュレーションが、その理由を示している。網目が引き伸ばされると、張力はきわめて不均一に分担される。少数の高張力の経路ができては次々に切れていく一方で、大部分の鎖は丸まったままで、ほとんど荷重を受けていない。

ハーバード大学のユー・ジョウ(Yu Zhou)、チェンハイ・リー(Chenghai Li)、ジャーチー・チェン(Zheqi Chen)、シエンヤン・バオ(Xianyang Bao)、ジーガン・スオ(Zhigang Suo)は、その原因を架橋、つまり鎖どうしを結びつける接合点にあると考える。一つの架橋は四本の鎖をつなぐが、高い張力を担うのはそのうち二本だけだ。架橋は荷重を集中させるのである。

結び目を減らし、絡み目を増やす

彼らの解決策は、張力を分散させることだ。架橋をずっと少なくすると、鎖は長くなり、絡み合う。著者らは、荷重を担うのは「高張力の円柱」、つまり絡み合った鎖の束全体だと考えている。鎖どうしのあいだに働く力は弱いので、絡み目は滑車のように滑る。一つの絡み目が四つの区間にかかわると、その四つすべてが荷重を担う。鎖が長いほど、網目のより多くの部分が動員される。

彼らはこの考えをポリアクリルアミドのハイドロゲルで試した。ほとんどが水でできたやわらかい固体で、実際に使われるときと同じように、毎回の試験の前に平衡状態まで膨潤させた。網目を決める調整つまみは二つ。架橋剤の量と、合成時の水の量だ。

• 高分子の単位量あたりで測った強度(著者らの言う「有効強度」)は、架橋がまばらになるにつれて上がった。それは単純な法則に従う。架橋剤の量に反比例して増え、約100メガパスカルに達する。
• 水の量、したがって絡み目の量を変えても、強度の変化は2倍未満だった。架橋は張力を集中させるが、絡み目はそうしないのだ。

膨らませ、押しつぶし、繰り返す

これを強い材料にするため、チームはあらかじめ引き伸ばした相互貫入網目(prestretched interlocking networks)をつくった。架橋のまばらなゲルを同じ原料混合物に浸し、平たく押しつぶして横方向に引き伸ばしてから、紫外線を当てる。すると最初の網目の中に第二の網目ができ、最初の網目を引き伸ばされた状態に固定する。これをもう一度行うと、三重の網目になる。

三つのポリアクリルアミド・ハイドロゲル。ふつうのもの、高度に絡み合ったもの、あらかじめ引き伸ばした相互貫入型のもの。ふつうのものは約10グラムを支え、あらかじめ引き伸ばしたものは1000グラムを支える。— 図3、Zhou, Li, Chen, Bao & Suo (2026), arXiv:2610.11837, CC BY 4.0.

• 強度は、ふつうのハイドロゲルの約0.05メガパスカルから、高度に絡み合ったものの約1、三重網目の約10へと上がる。
• 三重網目のゲルは、ふつうのゲルの約100倍重いおもりを支える。
• 弾性も保たれる。伸ばして離す一回のサイクルで失われるエネルギーは、わずか**8.4%**だ。
• 著者らの知る限り、これは報告された中で最も強いポリアクリルアミド・ハイドロゲルである。

このレシピは水がなくても使える。水を含まないゴムのような材料、ポリ(アクリル酸エチル)と呼ばれるエラストマーでは、架橋を減らすことで強度が約1メガパスカルから4メガパスカルに上がり、あらかじめ引き伸ばしたあとは約25メガパスカルに達した。エネルギーの損失はわずか数パーセントだった。

それでも、まだ鎖の1%だけ

100メガパスカルでさえ、共有結合が耐えられる約10ギガパスカルにはほど遠い。著者らの見積もりでは、その限界に達する鎖は全体の約**1%**にすぎず、残りはまだずっと小さな荷重しか担っていない。残りの99%をどう動員するかは、まだ答えの出ていない問いであり、まったく新しい網目の設計が必要になるかもしれない、と彼らは書いている。